ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- PHẠM THỊ VÂN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ THUỐC KHÁNG SINH HỌ β- LACTAM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG THAN HOẠT TÍNH BIẾN TÍNH
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
PHẠM THỊ VÂN
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ THUỐC KHÁNG SINH HỌ β- LACTAM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG THAN HOẠT TÍNH BIẾN TÍNH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – Năm 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
PHẠM THỊ VÂN
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ THUỐC KHÁNG SINH HỌ β- LACTAM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BẰNG THAN HOẠT TÍNH BIẾN TÍNH
Chuyên ngành: Hóa môi trường
Mã số: 60440120
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS Trần Thị Thanh Vân
Hà Nội – Năm 2016
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Với sự giúp đỡ của các thầy giáo và cô giáo, các anh chị và các bạn học
viên, sau một thời gian học tập và thực nghiệm em đã hoàn thành bản luận văn của
mình Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS
Đỗ Quang Trung, cô giáo TS Trần Thị Thanh Vân người đã trực tiếp giảng dạy,
hướng dẫn nghiên cứu khoa học tận tình trong suốt quá trình em làm luận văn
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô tại phòng thí nghiệm Hóa
môi trường, các thầy cô khoa Hóa học, trường ĐHKHTN đã hướng dẫn nhiệt tình
trong quá trình thực hiện luận văn
Hà Nội, ngày tháng năm 2016
HVCH Phạm Thị Vân
Trang 4MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2
1.1 Ô nhiễm kháng sinh và phương pháp xử lý 2
1.1.1 Sự phát sinh và ô nhiễm kháng sinh trong nước 2
1.1.2 Ảnh hưởng của thuốc kháng sinh đến các hệ sinh thái tự nhiên 2
1.1.3 Một số nghiên cứu về thuốc kháng sinh phát sinh trong môi trường 5
1.1.4 Giới thiệu chung về kháng sinh họ β- lactam 7
1.2 Than hoạt tính và một số ứng dụng của than hoạt tính trong xử lý thuốc kháng sinh 9 1.2.1 Than hoạt tính 9
1.2.2 Một số nghiên cứu về xử lý kháng sinh sử dụng vật liệu than hoạt tính ……… 11
CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 13
2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn 13
2.1.1 Mục tiêu 13
2.1.2 Nội dung nghiên cứu 13
2.2 Hóa chất, dụng cụ 13
2.2.1 Dụng cụ 13
2.2.2 Hóa chất và vật liệu 13
2.2.2.1.Chuẩn bị hóa chất 13
2.2.2.2 Vật liệu 14
2.3 Xây dựng đường chuẩn amoxicillin, cefotaxim natri và ảnh hưởng của pH tới sự dịch chuyển bước sóng 15
2.3.1 Xây dựng đường chuẩn amoxicillin 15
Trang 52.3.2 Xây dựng đường chuẩn Cefotaxim natri 18
2.3.3 Xây dựng đường chuẩn COD 20
2.4 Các phương pháp đánh giá đặc tính của vật liệu hấp phụ 21
2.4.1 Phương pháp tính toán tải trọng hấp phụ cực đại 21
2.4.2 Xác định giá trị pH trung hòa điện của vật liệu 25
2.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 26
2.4.4 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 28
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30
3.1 Khảo sát khả năng hấp phụ amoxicillin của các vật liệu 30
3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ amoxicillin của các vật liệu than biến tính 30
3.1.2 Nghiên cứu thời gian cân bằng hấp phụ amoxicillin của các vật liệu than biến tính 32
3.1.3 Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại của các vật liệu than biến tính 33
3.1.3.1 Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu AC 33
3.1.3.2 Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại AMX của vật liệu AC-S 35
3.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cefotaxim natri của các vật liệu 36
3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ Cefotaxim natri của các vật liệu 36
3.2.2 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ CFN của các vật liệu 38
3.2.3 Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực CFN của các vật liệu than biến tính 40
3.2.3.1 Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực CFN của vật liệu AC 40
3.2.3.2 Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại CFN của vật liệu AC-Br 42
3.2.3.3 Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại CFN của vật liệu AC-S 43
Trang 63.2.3.4 Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại CFN của vật liệu AC-HNO3 44
3.2.3.5 Nghiên cứu tải trọng hấp phụ cực đại CFN của vật liệu AC-H2O2 46
3.3 Nghiên cứu khả năng giải hấp cefotaxim natri của các vật liệu 47
3.5 Nghiên cứu khả năng hấp phụ đồng thời AMX và CFN của vật liệu AC-S 49
3.6 Xác định các đặc trưng của vật liệu 51
3.6.1 Xác định pHpzc của các vật liệu 51
3.6.2 Bề mặt riêng của vật liệu BET 53
3.6.3 Phổ IR và ảnh SEM của vật liệu 55
4 KẾT LUẬN 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58
Trang 7DANH MỤC BẢNG
Bảng 2 1 Bảng thể hiện độ hấp thụ quang của AMX ở các nồng độ khác nhau 15
Bảng 2 2 Kết quả xác định cực đại hấp thụ (Abs) của dung dịch chuẩn AMX từ nồng độ 1-90mg/l 16
Bảng 2 3 Kết quả xác định bước sóng của cefotaxim natri ở các nồng độ khác nhau 18
Bảng 2 4 Kết quả đo cực đại hấp thụ (Abs) của cefotaxim natri từ 1-70mg/l 19
Bảng 2 5 Kết quả đo sự phụ thuộc COD vào Abs 21
Bảng 3.1 Ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp thụ AMX của các vật liệu 30
Bảng 3.2 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ AMX của các vật liệu 32
Bảng 3 3 Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại AMX của vật liệu AC 34
Bảng 3 4 Kết quả tải trọng hấp phụ AMX của vật liệu AC-S 35
Bảng 3 5 Kết quả ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ CFN của các vật liệu 37
Bảng 3 6 Kết quả ảnh hưởng của thời gian tới sự hấp phụ CFN của các vật liệu 39
Bảng 3 7 Kết quả nghiên cứu tải trọng hấp phụ CFN của vật liệu AC 41
Bảng 3 8 Kết quả nghiên cứu tải trọng hấp phụ CFN của vật liệu AC-Br 42
Bảng 3 9 Kết quả nghiên cứu tải trọng hấp phụ CFN của vật liệu AC-Br 43
Bảng 3 10 Kết quả nghiên cứu tải trọng hấp phụ CFN của vật liệu AC-HNO3 45
Bảng 3 11 Kết quả nghiên cứu tải trọng hấp phụ CFN của vật liệu AC-H2O2 46
Bảng 3 12 Khả năng giải hấp cefotaxim natri của các vật liệu 47
Bảng 3 13 Kết quá hấp phụ đồng thời AMX và CFN của vật liệu AC-S 50
Trang 8DANH MỤC HÌNH
Hình 2 1 Đồ thị quét bước sóng cực đại của AMX 16
Hình 2 2 Đường chuẩn amoxicillin từ 1-100mg/l 17
Hình 2 3 Đồ thị xác định bước sóng hấp thụ amoxicillin ở các pH khác nhau 17
Hình 2 4 Đồ thị xác định bước sóng hấp phụ cực đại của cefotaxim natri 18
Hình 2 5 Đường chuẩn cefotaxim natri từ 1-70mg/l 19
Hình 2 6 Đồ thị xác định ảnh hưởng của pH tới bước sóng hấp thụ của cefotaxim natri 20
Hình 2 7 Đường chuẩn COD 21
Hình 2 8 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 23
Hình 2 9 Đường thẳng xác định hệ số Langmuir 24
Hình 2 10 Đồ thị xác định các hệ số trong phương trình Freundlich 25
Hình 2 11 Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu 26
Hình 2 12 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét 27
Hình 3.1 Đồ thị ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ AMX của các vật liệu 31
Hình 3 2 Đồ thị thời gian cân bằng hấp phụ AMX của các vật liệu 33
Hình 3 3 Đường thẳng xác định hệ số phương trình Langmuir của vật liệu AC 34
Hình 3 4 Đường thẳng xác định hệ số phương trình Freundlich của vật liệu AC 34
Hình 3 5 Đường xác định hệ số Langmuir của vật liệu AC-S 35
Hình 3 6 Đường xác định hệ số Freundlich của vật liệu AC-S 35
Hình 3 7 Đồ thị ảnh hưởng của pH tới khả năng hấp phụ CFN của vật liệu AC 37
Hình 3 8 Đồ thị biểu diễn thời gian cân bằng hấp phụ CFN của các vật liệu 40
Hình 3 9 Đồ thị xác định hệ số Langmuir của vật liệu AC 41
Hình 3 10 Đồ thị xác định hệ số Freundlich của vật liệu AC 41
Hình 3 11 Đồ thị xác định hệ số Langmuir của vật liệu AC-Br 42
Hình 3 12 Đồ thị xác định hệ số Freundlich của vật liệu AC-Br 42
Hình 3 13 Đồ thị xác định hệ số Langmuir của vật liệu AC-S 44
Trang 9Hình 3 14 Đồ thị xác định hệ số Freundlich của vật liệu AC-S 44
Hình 3 15 Đồ thị xác định hệ số Langmuir của vật liệu AC-HNO3 45
Hình 3 16 Đồ thị xác định hệ số Freundlich của vật liệu AC-HNO3 45
Hình 3 17 Đồ thị xác định hệ số Langmuir của vật liệu AC-H2O2 46
Hình 3 18 Đồ thị xác định hệ số Freundlich của vật liệu AC-H2O2 46
Hình 3 19 Đồ thị hiệu suất giải hấp cefotaxim natri của các vật liệu 48
Hình 3 20 Đồ thị đường cân bằng hấp phụ động cefotaxim natri của các loại vật liệu 49
Hình 3 21 Đồ thị hiệu suất hấp phụ đồng thời AMX, CFN của vật liệu AC-S 50
Hình 3 22 Đồ thị xác định pHpzc của các vật liệu AC, AC-Br, AC-S 52
Hình 3 23 Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu AC-HNO3, AC-H2O2 52
Hình 3 24 Đồ thị tọa độ BET của than chưa biến tính 53
Hình 3 25 Đồ thị tọa độ BET của vật liệu AC-S 54
Hình 3 26 Phổ hồng ngoại của than trước khi biến tính 55
Hình 3 27 Phổ hồng ngoại của vật liệu AC-S 55
Hình 3 28 Ảnh SEM của vật liệu AC 56
Hình 3 29 Ảnh SEM của vật liệu AC-S 56
DANH MỤC BẢNG VIẾT TẮT
AMX: amoxicillin
CFN: cefotaxim natri
AC: Vật liệu than chưa biến tính
AC-S: vật liệu than biến tính lưu huỳnh
AC-Br: vật liệu than biến tính brom
AC-H2O2: Vật liệu than biến tính bằng H2SO4 và H2O2
AC-HNO3: Vật liệu than biến tính HNO3
Trang 10LỜI MỞ ĐẦU
Kháng sinh là một trong những thuốc thành công nhất được sử dụng để điều trị cho con người Tuy nhiên, kể từ khi kháng sinh ra đời đã thách thức quần thể sinh vật vì nó được coi là một trong những tác nhân gây ô nhiễm môi trường Ngoài việc
sử dụng trong công tác chữa bệnh cho con người, kháng sinh còn được sử dụng rộng rãi trong chăn nuôi và trong nông nghiệp Những dư lượng còn lại của thuốc kháng sinh mà con người cũng như hoạt động nông nghiệp thải vào môi trường có thể gây
ô nhiễm môi trường tự nhiên Hậu quả rõ ràng nhất của việc phát thải kháng sinh trong môi trường tự nhiên là biến đổi của các vi khuẩn kháng thuốc Tuy nhiên, tác dụng của thuốc kháng sinh vào sinh quyển là rộng hơn so với điều này và có thể tác động đến cấu trúc và hoạt động của vi sinh vật môi trường Vì vậy, việc loại bỏ kháng sinh trong môi trường nước là một nghiên cứu cấp thiết và quan trọng
Có nhiều cách để loại bỏ kháng sinh trong nước, điển hình là việc thực hiện quá trình hấp phụ bởi một số vật liệu như than hoạt tính, vật liệu phế thải, các vật liệu biến tính Than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng rất cao và khả năng hấp phụ tốt,
do đó than hoạt tính là vật liệu được sử dụng rộng rãi để loại bỏ các chất gây ô nhiễm
trong nước Do vậy, trong luận văn này chúng tôi thực hiện đề tài “ Nghiên cứu khả
năng xử lý thuốc kháng sinh họ β- lactam trong môi trường nước bằng than hoạt tính biến tính ” với mong muốn có thể góp phần hạn chế ô nhiễm kháng sinh đến với
môi trường
Trang 11CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Ô nhiễm kháng sinh và phương pháp xử lý
1.1.1 Sự phát sinh và ô nhiễm kháng sinh trong nước
Thuốc kháng sinh có lẽ là những họ thuốc thành công nhất của thuốc, cho đến nay thuốc, kháng sinh đã được nghiên cứu phát triển vô cùng mạnh mẽ để phục vụ cải thiện sức khỏe con người Bên cạnh ứng dụng trong việc chữa trị và phòng bệnh cho con người, thuốc kháng sinh (kháng sinh nói chung) cũng đã được sử dụng để ngăn ngừa và điều trị cho động vật, thực vật cũng như đối với việc thúc đẩy tăng trưởng trong chăn nuôi gia súc [4,12] Tất cả các hoạt động trên sẽ phát thải số lượng lớn dư lượng chất kháng sinh vào hệ sinh thái Tuy nhiên, chúng ta ít được biết về tác động tổng thể của kháng sinh trên các biến động số lượng của các thể sinh học nhỏ microbiosphere [14]
Những vấn đề liên quan đến thuốc kháng sinh tương tự như ô nhiễm kim loại nặng Cũng giống như kim loại nặng, thuốc kháng sinh là những hợp chất tự nhiên có trong các hệ sinh thái khác nhau Tuy nhiên, con người khi sử dụng thuốc kháng sinh
đã làm tăng khả dụng sinh học của chúng, dẫn đến những thay đổi lớn trong hệ sinh thái, làm hệ sinh thái bị ô nhiễm Khác với các kim loại nặng, hậu quả của ô nhiễm kháng sinh đối với hệ sinh thái còn chưa được chú ý tới [11]
1.1.2 Ảnh hưởng của thuốc kháng sinh đến các hệ sinh thái tự nhiên
Kể từ khi thuốc kháng sinh là chất ức chế hiệu quả vi khuẩn phát triển, được sản xuất bởi các vi sinh vật có trong tự nhiên, kháng sinh đã được sử dụng rộng rãi với vai trò ức chế vi khuẩn Sự gia tăng mạnh mẽ của hàm lượng kháng sinh trong các hệ sinh thái tự nhiên là kết quả của các hoạt động của con người (điều trị cho con người, nông nghiệp) Những thay đổi này có thể ảnh hưởng, không chỉ tới những cấu trúc của quần thể vi sinh tự nhiên và có thể làm thay đổi sinh lý của vi sinh vật Ngoài việc gây ra các đột biến kháng thuốc kháng sinh và ảnh hưởng đến các gen kháng kháng sinh, nó còn lây lan giữa các vi sinh vật trong môi trường, ô nhiễm
Trang 12kháng sinh có thể làm tăng số lượng vi khuẩn đề kháng, và giảm số lượng của hệ vi sinh vật nhạy cảm Một ví dụ của tình trạng này là một nghiên cứu trong đó tác dụng của kháng sinh ciprofloxacin trên các chủng tảo nước ngọt tự nhiên đã được thử nghiệm ở thượng lưu và hạ lưu nhà máy xử lý nước thải Sự khác biệt đáng kể đã được quan sát thấy trong năng suất sinh khối, trong cơ cấu treo và gắn tảo, trong khả năng xử lý chất dinh dưỡng và trong chuỗi thức ăn tự nhiên của hệ sinh thái Một nghiên cứu tương tự cũng đã chứng minh rằng tetracycline có tác động tiêu cực đến các chức năng đa dạng của cộng đồng vi khuẩn đất [10]
Thuốc kháng sinh ở nồng độ cao hơn nhiều thường được tìm thấy trong các hệ sinh thái tự nhiên trong nước (ví dụ nước thải) và đất (ví dụ đất được xử lý bằng phân hữu cơ và trang trại) Tuy nhiên, những nồng độ cao thường tập trung ở những khu vực có sự hoạt động của con người, trong khi môi trường tự nhiên thường có nồng độ thuốc kháng sinh thấp Để đánh giá được hậu quả của thuốc kháng sinh chúng ta cần phân tích chủ yếu ở các khu vực có hàm lượng chất kháng sinh cao, phân tích ảnh hưởng của ô nhiễm kháng sinh trên các hệ sinh thái tự nhiên
Có thể dự đoán rằng dư lượng từ các bệnh viện hoặc các trang trại sẽ chứa cả hai loại chất gây ô nhiễm: thuốc kháng sinh và gen kháng Một số thuốc kháng sinh
là các hợp chất tự nhiên mà có tiếp xúc với vi sinh vật môi trường hàng triệu năm mới phân hủy sinh học, thậm chí nó đóng vai trò như là một nguồn thức ăn cho một
số vi sinh vật Kháng sinh tổng hợp (ví dụ quinolone) là chất khó để phân hủy sinh học Tuy nhiên, chúng vẫn đang bị suy thoái ở mức độ khác nhau trong môi trường
tự nhiên Các nghiên cứu đã chứng minh rằng ciprofloxacin hiện diện trong mẫu nước sông sẽ hoàn toàn bị phân hủy sau 3 tháng, trong khi chỉ có 20% axit oxolinic trong các mẫu được phân hủy sau 5 tháng [11]
Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng sự gắn kết của các quinolone đất và trầm tích làm chậm quá tình phân hủy sinh học của chúng Tuy nhiên, xử lý nước thải của các vùng nước ô nhiễm quinolone không đạt hiệu quả loại bỏ các kháng sinh bởi các quá trình bao gồm : không chỉ phân hủy sinh học mà còn xảy ra sự suy thoái của các
Trang 13TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu Tiếng Việt
1 PGS.TS Trương Phương, TS Trần Thành Đạo (2010) , “ Hóa dược 1”, Nhà
xuất bản giáo dục Việt Nam
2 TS Nguyễn Văn Kính (2010), “Báo cáo thực trạng sử dụng kháng sinh và kháng kháng sinh ở Việt Nam”
Tài liệu Tiếng Anh
3 Angela L Batt, Sungpyo Kim, Diana S Aga (2007), “Comparison of the occurrence of antibiotics in four full- scale wastewater treatment plants with
varying designs and operations”, Chemosphere, 68, pp 428 – 435
4 Cabello, F.C., 2006 “Heavy use of prophylactic antibiotics in aquaculture: a growing problem for human and animal health and for the environment”
Environ Microbiol 8, 1137–1144
5 Calabrese, E.J., 2005 “Paradigm lost, paradigm found: the re-emergence of hormesis as a fundamental dose response model in the toxicological
sciences” Environ Pollut 138, 379–411
6 G Moussavi, M Mahmoudi (2009), “Removal of azo and anthraquinone reactive dyes from industrial wastewater using MgO nanoparticles”,
J.Hazard Mater, 168, 806-812
7 Halling-Sorensen, B., Nors Nielsen, S., Lanzky, P.F., Ingerslev, F., Holten Lutzhoft, H.C., Jorgensen, S.E., (1998) “Occurrence, fate and effects of
pharmaceutical substances in the environment” – a review Chemosphere 36,
357–393
8 H.R Pouretedal, N Sadegh (2014) “Effective removal of Amoxicillin, Cephalexin, Tetracycline and Penicillin G from aqueous solutions using
activated carbon nanoparticles prepared from vine wood”, Journal of Water Process Engineering, 64–73)